Listrik
Dari Wikipedia bahasa Indonesia, ensiklopedia bebas
Petir adalah contoh listrik alami yang paling dramatis
Listrik adalah rangkaian fenomena
fisika yang berhubungan dengan kehadiran dan aliran
muatan listrik. Listrik menimbulkan berbagai macam efek yang telah umum diketahui, seperti
petir,
listrik statis,
induksi elektromagnetik dan
arus listrik. Adanya listrik juga bisa menimbulkan dan menerima
radiasi elektromagnetik seperti
gelombang radio.
Dalam listrik, muatan menghasilkan
medan elektromagnetik yang dilakukan ke muatan lainnya. Listrik muncul akibat adanya beberapa tipe fisika:
Pada
teknik elektro, listrik digunakan untuk:
Fenomena listrik telah dipelajari sejak zaman purba, meskipun
pemahaman secara teoritisnya berkembang lamban hingga abad ke-17 dan 18.
Meski begitu, aplikasi praktisnya saat itu masih sedikit, hingga di
akhir abad ke-19 para
insinyur
dapat memanfaatkannya pada industri dan rumah tangga. Perkembangan yang
luar biasa cepat pada teknologi listrik mengubah industri dan
masyarakat. Fleksibilitas listrik yang amat beragam menjadikan
penggunaannya yang hampir tak terbatas seperti
transportasi,
pemanasan,
penerangan,
telekomunikasi, dan
komputasi. Tenaga listrik saat ini adalah tulang punggung masyarakat industri modern.
[1]
Sejarah
Thales, ilmuwan pertama yang meneliti listrik
Jauh sebelum pengetahuan tentang listrik ada, orang pada saat itu takut akan kejutan dari
ikan listrik. Penduduk
Mesir Kuno dari zaman
2750 BC menyebut ikan ini sebagai "Guntur dari
Nil",
dan menganggap mereka sebagai "pelindung" dari semua ikan lainnya. Ikan
listrik kemudian juga dilaporkan satu milenium kemudian oleh
Yunani Kuno,
Kekaisaran Romawi dan para naturalis Arab.
[2] Beberapa penulis kuno, seperti
Plinius yang Tua dan
Scribonius Largus, membuktikan efek mati rasa
sengatan listrik dari
lele dan
pari torpedo, dan tahu bahwa kejutan listrik tersebut dapat mengalir melalui benda berkonduktansi.
[3] Pasien yang terkena
pirai atau
sakit kepala juga diarahkan untuk memegang ikan listrik dengan harapan bahwa kejutan yang kuat tersebut mampu menyembuhkan mereka.
[4]
Kemungkinan pendekatan awal dan paling dekat kepada penemuan listrik
dari sumber lainnya adalah kepada orang-orang Arab, di mana sebelum abad
ke-15 mereka telah memiliki kata
berbahasa Arab untuk petir (
raad) ke
pari listrik.
[5]
Beberapa budaya kuno sekitar
Mediterania mengetahui bahwa beberapa benda, seperti batang
ambar, dapat digosok dengan bulu kucing untuk menarik benda ringan seperti bulu.
Thales membuat beberapa observasi pada
listrik statis sekitar tahun 600 BC, di mana ia percaya bahwa friksi yang dihasilkan amber
magnetik, kebalikan dari minerak seperti
magnetit yang tidak perlu digosok.
[6][7]
Thales saat itu belum benar bahwa tarik-menarik disebabkan oleh efek
magnet, namun sains kemudian membuktikan adanya hubungan antara
magnetisme dan listrik. Menurut sebuah teori kontroversial, orang-orang
Parthia mungkin telah memiliki pengetahuan tentang
elektroplating, berbasis pada penemuan
Baghdad Battery tahun 1936 yang menyerupai
sel galvani, meskipun belum diketahui apakah artefak itu berlistrik di alam.
[8]
Benjamin Franklin melakukan penelitian ekstensif tentang listrik di abad ke-18, didokumentasikan oleh
Joseph Priestley (1767)
History and Present Status of Electricity, dengannya Franklin melakukan korespondensi lanjutan.
Listrik tetap hanya menjadi bahan keingintahuan selama satu milenium hingga tahun 1600, ketika ilmuwan Inggris
William Gilbert membuat studi khusus mengenai listrik dan magnetisme, membedakan efek
lodestone dari listrik statis yang dihasilkan dengan menggosok ambar.
[6] Ia mengajukan kata
Latin Baru electricus ("seperti amber", seperti ἤλεκτρον,
elektron, kata
Yunani Kuno untuk "amber") untuk merujuk pada sifat menarik benda ringan setelah digosok.
[9]
Kata ini akhirnya diserap dalam bahasa Inggris "electric" dan
"electricity", yang pertama kali muncul pada tulisan cetak pada tulisan
milik
Thomas Browne,
Pseudodoxia Epidemica, tahun 1646.
[10]
Karya berikutnya yang dilakukan oleh
Otto von Guericke,
Robert Boyle,
Stephen Gray dan
C. F. du Fay. Di abad ke-18,
Benjamin Franklin
melakukan penelitian ekstensif pada kelistrikan. Bulan Juni 1752 ia
berhasil menempelkan kunci logam ke bagian dasar senar layang yang
dibasahi dan menerbangkan layang tersebut di langit berbadai.
[11] Adanya kilatan yang meloncat dari kunci ke tangannya menunjukkan bahwa
kilat adalah listrik di alam.
[12]
Tahun 1791,
Luigi Galvani mempublikasikan penemuan
biolistrik, menunjukkan bahwa listrik merupakan medium di mana
sel saraf memberikan signal ke otot.
[13] Baterai
Alessandro Volta atau
tumpukan volta
pada tahun 1800, dibuat dari lapisan seng dan tembaga, sehingga
memberikan sumber yang lebih dipercaya bagi para ilmuwan bagi sumber
energi listrik daripada
mesin elektrostatis yang sebelumnya digunakan.
[13] Dikenalnya
elektromagnetisme, kesatuan fenomena listrik dan magnetik, adalah karya
Hans Christian Ørsted dan
André-Marie Ampère tahun 1819–1820;
Michael Faraday menemukan
motor listrik tahun 1821, dan
Georg Ohm menganalisis secara matematis sirkuit listrik tahun 1827.
[13] Listrik dan magnet (dan cahaya) dihubungkan oleh
James Clerk Maxwell, pada tulisannya "
On Physical Lines of Force" tahun 1861 dan 1862.
[14]
Di awal abad ke-19 mulai ada perkembangan yang cepat dalam ilmu kelistrikan. Beberapa penemu seperti
Alexander Graham Bell,
Ottó Bláthy,
Thomas Edison,
Galileo Ferraris,
Oliver Heaviside,
Ányos Jedlik,
Lord Kelvin,
Sir Charles Parsons,
Ernst Werner von Siemens,
Joseph Swan,
Nikola Tesla dan
George Westinghouse, listrik berubah dari keingintahuan sains menjadi peralatan berguna untuk kehidupan modern, menjadi penggerak bagi
Revolusi Industri Kedua.
[15]
Tahun 1887,
Heinrich Hertz[16]:843–844[17] menemukan bahwa
elektroda yang teriluminasi dengan cahaya ultraviolet dapatmenghasilkan
percikan listrik lebih mudah. Tahun 1905
Albert Einstein
mempublikasikan tulisan yang menjelaskan data percobaan dari efek
fotolistrik sebagai hasil dari energi cahaya yang dibawa pada discrete
quantized packets, menghidupkan elektron. Penemuan ini mengantarkan pada
revolusi
kuantum. Einstein mendapatkan
Hadiah Nobel bidang Fisika tahun 1921 untuk "penemuannya dalam hukum efek fotolistrik".
[18] Efek fotolistrik juga digunakan dalam
fotosel seperti yang bisa ditemukan pada
panel surya dan bisa digunakan untuk memproduksi listrik secara komersial.
Alat solid-state pertama adalah detektor "
cat's whisker",
pertama kali digunakan tahun 1900an di penerima radio. Kawat menyerupai
kumis ditempatkan berkontak dengan kristal padat (seperti kristal
germanium) untuk mendeteksi signal radio dengan efek simpang kontak.
[19] Pada komponen bentuk padat,
arus listrik
dibatasi oleh elemen padat dan senyawa direkayasa spesifik untuk
menghidupkan dan memperkuatnya. Aliran arus dapat dipahami dalam 2
bentuk: sebagai
elektron bermuatan negatif dan elektron kekurangan muatan positif yang disebut
lubang. Muatan dan lubang ini dapat dipahami pada fisika kuantum. Material pembangunnya biasanya adalah kristalin
semikonduktor.
[20][21]
Komponen bentuk-padat kemudian berkembang dengan munculnya
transistor tahun 1947. Beberapa komponen bentuk padat yang umum adalah
transistor, chip
mikroprosesor, dan
RAM. Sebuah tipe khusus dari RAM disebut
flash RAM digunakan pada
flash drives. Selain itu,
solid-state drive saat ini digunakan untuk menggantikan
cakram keras yang berputar mekanis. Komponen bentuk padat mulai populer tahun 1950-an dan 1960-an, transisi dari
tabung vakum ke
dioda semikonduktor,
transistor,
sirkuit terintegrasi (IC) dan
diode pancaran cahaya (LED).
Konsep
Muatan listrik
Adanya muatan akan menghasilkan gaya elektrostatis: muatan memberikan
gaya pada muatan lainnya, sebuah efek yang diketahui sejak zaman kuno.
[16]:457
Sebuah bola ringan yang digantung dari senar dapat diberi muatan dengan
menyentuhkannya dengan pengaduk kaca yang telah dimuati dengan
menggosokkannya pada kain. Jika ada bola yang sama dimuati dengan
pengaduk kaca yang sama, maka akan menolak bola pertama: muatan bekerja
pada kedua bola. Dua bola yang dimuati dengan batang amber yang digosok
juga menolak satu sama lain. Namun, jika satu bola dimuati oleh pengaduk
kaca, dan lainnya dengan batang amber, kedua bola ini akan tarik
menarik. Fenomena ini kemudian diinvestigasi di akhir abad ke-18 oleh
Charles-Augustin de Coulomb. Penemuan ini kemudian memunculkan aksiom yang terkenal:
muatan sejenis akan tolak-menolak dan muatan berlawanan jenis akan tarik-menarik.
[16]
Gaya yang bekerja pada partikel akan memberi muatan pada partikel itu
sendiri, maka muatan akan memiliki kecenderungan untuk tersebar
berlipat ganda pada permukaan berkonduksi. Besarnya gaya
elektromagnetik, entah tarik-menarik atau tolak-menolak, dituliskan
dalam
Hukum Coulomb, yang menghubungkan gaya dengan hasil kali muatan dan memiliki hubungan
kuadrat terbalik dengan jarak antar keduanya.
[22][23]:35 Gaya elektromagnetik sangat kuat, hanya berada di belakang
gaya nuklir kuat,
[24] namun ia bergerak ke semua arah.
[25] Sebagai perbandingan dengan
gaya gravitasi yang jauh lebih lemah, gaya elektromagnetik akan mendorong kedua elektron terpisah 10
42 kali daripada gaya tarik-menarik gravitasi yang saling menarik mereka.
[26]
Studi telah menunjukkan bahwa sumber muatan adalah dari tipe
partikel subatomik tertentu yang memiliki sifat muatan listrik. Muatan listrik menimbulkan dan berinteraksi dengan
gaya elektromagnetik, satu dari empat
interaksi dasar di alam. Pembawa paling umum dari muatan listrik adalah
elektron dan
proton. Penelitian menunjukkan bahwa muatan adalah
kekekalan kuantitas, artinya muatan bersih antara sebuah
sistem terisolasi akan selalu konstan tanpa memperhatikan perubahan yang terjadi pada sistem tersebut.
[27]
Dalam sistem, muatan dapat berpindah antar tubuh, entah melalui kontak
langsung atau dilewatkan material berkonduksi seperti kawat.
[23]:2–5 Sebutan
listrik statis
merujuk pada adanya muatan bersih pada suatu benda, biasanya disebabkan
oleh kedua material berbeda yang digosok bersamaan, menyebabkan
perpindahan muatan dari satu benda ke benda lainnya.
Muatan pada elektron dan proton berlainan tanda, maka jumlah muatan
dapat diekspresikan negatif atau positif. Dengan konvensi, muatan yang
dibawa elektron ditulis negatif, dan proton positif, sebuah kesepakatan
yang berasal dari kerja
Benjamin Franklin.
[28] Jumlah muatan biasanya diberi simbol
Q dan satuannya
coulomb;
[29] tiap elektron membawa muatan yang sama kira-kira −1.6022×10
−19 coulomb. Jika proton memiliki muatan yang sama dan berlainan, maka muatannya +1.6022×10
−19 coulomb. Muatan tidak hanya dimiliki oleh
materi, namun juga
antimateri, tiap
antipartikel memiliki hubungan muatan yang sama dan berlawanan dengan partikel lainnya.
[30]
Muatan dapat diukur dengan beberapa cara, salah satu instrumen awal adalah
elektroskop berdaun-emas, yang saat ini masih digunakan untuk demonstrasi di kelas, telah digantikan oleh
elektrometer elektronik.
[23]:2–5
Arus listrik
Perpindahan muatan listrik dikenal dengan nama
arus listrik, besarnya diukur dalam
ampere.
Arus dapat terdiri dari partikel bermuatan apapun yang berpindah;
biasanya adalah elektron, namun muatan apapun yang berpindah
menghasilkan arus.
Menurut konvensi lama, arus positif didefinisikan sebagai yang
memiliki arah yang sama dari aliran muatan positif yang dikandungnya,
atau aliran dari bagian paling positif dari sirkuit ke bagian paling
negatif. Saat ini disebut dengan
arus konvensional. Gerakan elektron bermuatan negatif di sekitar
sirkuit listrik, maka dianggap positif pada arah "berlawanan" dari elektron tersebut.
[31] Meski begitu, tergantung kondisinya, arus listrik dapat terdiri dari aliran
partikel bermuatan
dari salah satu arah, atau bahkan bersamaan dari kedua arah. Konvensi
positif ke negatif digunakan luas untuk menyederhanakan kondisi ini.
Api listrik memberikan demonstrasi energi dari arus listrik
Proses ketika arus listrik melewati material disebut
konduksi listrik,
dan sifatnya bervariasi tergantung dari partikel bermuatan dan material
yang mereka lewati. Contoh arus listrik misalnya konduksi logam, di
mana elektron mengalir melalui
konduktor listrik seperti logam, dan
elektrolisis, di mana
ion (
atom bermuatan) mengalir melalui cairan atau
plasma. Ketika partikel itu sendiri dapat berpindah agak lambat,
medan listrik yang menggerakkan mereka dapat memperbanyak dengan kecepatan mendekati
kecepatan cahaya, memungkinkan signal lsitrik untuk lewat dengan cepat pada kawat.
[32]
Arus akan menyebabkan beberapa pengaruh. Air bisa terdekomposisi melalui arus dari
tumpukan volta, ditemukan oleh
Nicholson dan
Carlisle tahun 1800, proses ini sekarang dikenal dengan
elektrolisis. Hasil karya mereka kemudia dikembangkan
Michael Faraday tahun 1833. Arus yang melalui
resistansi listrik akan menyebabkan panas, efek yang dipelajari matematis oleh
James Prescott Joule tahun 1840.
[23]:23–24 Salah satu penemuan terpenting dalam ilmu tentang arus oleh
Hans Christian Ørsted tahun 1820, ketika ia menyaksikan arus dalam kawat menganggu kerja jarum kompas magnet.
[33] Ia menemukan
elektromagnetisme, interaksi dasar antara listrik dan magnet. Tingkat keluaran elektromagnetik yang dihasilkan
api listrik cukup tinggi untuk menghasilkan
gangguan elektromagnet yang bisa menganggu kerja alat.
[34]
Pada teknik atau aplikasi rumah tangga, arus seringkali dijelaskan dalam
arus searah (DC) atau
arus bolak-balik (AC). Sebutan ini merujuk pada bagaimana arus bervariasi terhadap waktu. Arus searah, diproduksi sebagai contoh dari
baterai dan diperlukan oleh hampir seluruh peralatan
elektronik, adalah aliran dari bagian positif sirkuit ke bagian negatif.
[35]:11
Aliran ini biasanya dibawa oleh elektron, mereka akan berpindah melalui
arah berlawanan. Arus bolak-balik adalah arus yang berbalik arah
berulang-ulang; hampir selalu membentuk
gelombang sinus.
[35]:206–207
Arus bolak-balik akan bergetar bolak-balik dalam konduktor tanpa tanpa
muatan berpindah tiap jarak seiring waktu. Nilai waktu rata-rata arus
bolak balik adalah nol, namun energi akan dikeluarkan pada satu arah,
kemudian kebalikannya. Arus bolak-balik dipengaruhi oleh sifat-sifat
listrik yang tidak dapat dilihat pada arus searah keadaan tunak, seperti
induktansi dan
kapasitansi.
[35]:223–225 Sifat-sifat ini menjadi penting ketika rangkaian ditujukan pada
respon transien, seperti ketika pertama kali diberi energi.
Medan listrik
Konsep
medan listrik pertama kali diperkenalkan oleh
Michael Faraday.
Medan listrik tercipta dari benda bermuatan di ruang yang
mengelilinginya, dan menghasilkan gaya yang diberikan pada muatan
manapun yang berada pada cakupan medan tersebut. Medan listrik bekerja
di antara 2 muatan dengan perilaku yang serupa dengan medan gravitasi
bekerja di antara 2
massa, dan akan berbanding kuadrat terbalik dengan jarak.
[25]
Namun, ada perbedaan di antara keduanya. Gravitasi selalu bekerja tarik
menarik, menarik kedua massa bersama, sedangkan medan listrik bisa
menghasilkan tarikan atau tolakan. Ketika objek besar seperti planet
umumnya tidak membawa muatan bersih, medan listrik pada jarak tertentu
nilainya nol. Oleh karena itu gravitasi menjadi dominan di alam semesta,
meskipun jauh lebih lemah.
[26]
Garis gaya keluar dari muatan positif diatas bidang konduktor
Sebuah medan listrik umumnya beragam pada suatu ruang,
[36]
dan kekuatannya pada satu titik didefiniskan sebagai gaya (per satuan
muatan) yang mengenai muatan diam imajiner jika diletakkan pada titik
tersebut.
[16]:469–470 Konsep ini, dinamai '
muatan tes',
haruslah sangat kecil untuk menghindari medan listriknya sendiri
menganggu medan utama dan juga harus diam untuk menghindari efek
medan magnet. Karena medan listrik didefiniskan dalam
gaya, dan gaya adalah
vektor, maka medan listrik juga vektor, memiliki
besaran dan
arah. Secara spesifik, medan listrik adalah
medan vektor.
[16]:469–470
Studi mengenai medan listrik diciptakan oleh muatan diam yang disebut
elektrostatis.
Medan dapat divisualisasikan dengan set garis imajiner yang arahnya
pada semua titik adalah sama dengan medan tersebut. Konsep ini pertama
kali diperkenalkan Faraday,
[37] di mana kata '
garis gaya'
terkadang masih digunakan. Garis medan adalah jalur-jalur titik tempat
muatan positif akan terlihat seperti dipaksa untuk berpindah di dalam
medan tersebut; namun ini hanyalah konsep imajiner tanpa keberadaan yang
sesungguhnya. Medan menembus semua ruang di antara garis-garis
tersebut.
[37]
Garis gaya terpancar dari muatan diam memiliki beberapa sifat: pertama,
mereka berawal dari muatan positif dan berakhir pada muatan negatif.
Kedua, mereka harus masuk ke konduktor manapun pada sudut yang benar,
ketiga, mereka tidak boleh memotong atau berdekatan antara satu sama
lain.
[16]:479
Objek berkonduksi berongga membawa semua muatannya pada permukaan. Maka medan di dalam objek bernilai nol.
[23]:88 Ini merupakan prinsip operasi
sangkar Faraday, kerangka logam berkonduksi yang mengisolasi dalamnya dari efek listrik dari luar.
Prinsip elektrostatis sangat penting ketika mendesain peralatan dengan
voltase tinggi. Ada batas medan listrik tertentu yang dapat ditahan oleh medium apapun. Diatas titik ini, akan terjadi
kegagalan listrik dan
percikan api
dan terjadi flashover di antara bagian yang bermuatan. Udara, misalnya,
cenderung akan muncul percikan di sepanjang celah kecil pada medan
listrik diatas 30 kV per sentimeter. Jika celahnya diperbesar, maka
kekuatan breakdown juga melemah, sekitar 1 kV per sentimeter.
[38] Paling mudah bisa dilihat pada
kilat,
terjadi ketika muatan menjadi terpisah di awan dengan naiknya kolom
udara dan menaikkan medan listrik di udara hingga lebih besar dari yang
bisa ditahan. Voltase dari awan kilat yang besar bisa mencapai 100 KV
dan bisa mengeluarkan energi hingga 250 kWh.
[39]
Kekuatan medan sangat dipengaruhi oleh objek berkonduksi di dekatnya,
terutama menjadi besar ketika dipaksa untuk melekuk disekitar titik
objek. Asas ini kemudian dipelajari pada
konduktor kilat, ujung tajam yang di mana mendorong kilat untuk terarah kesitu, dan bukan ke gedung yang dilindunginya.
[40]:155
Potensial listrik
Sepasang
baterai AA. Tanda + menunjukkan polaritas perbedaan potensial diantara kutub-kutub baterai.
Konsep dari potensial listrik sangat berhubungan dekat dengan medan
listrik. Sebuah muatan yang diletakkan dalam sebuah medan listrik akan
mendapat gaya, dan akan membuat membuat muatan melawan gaya tersebut
yang membutuhkan
kerja. Potensial listrik pada tiap titik didefinisikan sebagai energi yang dibutuhkan untuk membawa sebuah muatan dari
jarak tak terbatas ke titik tersebut. Diukur dalam satuan
volt yang berarti satu volt adalah potensial di mana harus dihasilkan kerja 1
joule untuk membawa muatan sebesar 1
coulomb dari jarak tak terhingga.
[16]:494–498 Definisi potensial ini hanya sedikit memiliki kegunaan, dan konsep yang lebih sering dipakai adalah
perbedaaan potensial listrik
yaitu energi yang dibutuhkan untuk memindahkan sebuah muatan antara 2
titik tertentu. Sebuah medan listrik memiliki karakteristik khusus yaitu
konservatif
di mana jalur yang dilewati muatan tidak berhubungan: semua jalur
antara 2 titik tertentu menghabiskan energi yang sama, maka nilai
perbedaan potensial dapat ditentukan.
[16]:494–498
Pada praktiknya, biasanya didefinisikan titik referensi di mana
potensial dapat dinyatakan dan dibandingkan. Karena harus ditentukan
maka acuan yang paling umum digunakan adalah
bumi itu sendiri, yang diasumsikan memiliki potensial yang sama di manapun. Titik acuan ini biasanya diambil dari
bumi. Bumi diasumsikan memiliki jumlah muatan negatif dan positif yang sama banyak dan tak terbatas, maka tak dapat dialiri listrik.
[41]
Potensial listrik adalah
besaran skalar yang berarti hanya memiliki nilai dan tidak memiliki arah. Dapat dianalogikan dengan
tinggi:
ketika sebuah objek yang dilontarkan akan jatuh pada ketinggian yang
berbeda akibat medan gravitas maka muatan akan 'jatuh' melalui tegangan
yang disebabkan oleh medan listrik.
[42] Pada peta relief menunjukkan
garis kontur menandai titik-titik pada ketinggian yang sama, sekelompok garis menandai titik-titik dengan potensial yang sama (atau
ekuipotensial)
dapat digambarkan di sekitar objek bermuatan elektrostatis.
Ekuipotensial akan memotong semua garis gaya pada sudut siku.
Ekuipotensial juga harus terletak paralel dengan permukaan [[konduktor
listrik|konduktor, jika tidak maka akan menghasilkan gaya yang dapat
membawa muatan sampai bahkan potensial pada permukaan.
Medan listrik secara formal didefinisikan sebagai gaya yang diberikan
per atuan muatan, namun konsep dari potensial memberikan definisi yang
lebih baik: medan listrik adalah
gradien
lokal dari potensial listrik. Diukur dalam volt per meter, arah vektor
dari medan listrik adalah garis kemiringan terbesar dari potensial, di
mana ekuipotensial terletak paling dekat bersamaan.
[23]:60
Elektromagnet
Medan magnet melingkari arus
Penemuan Ørsted pada tahun 1821 bahwa
medan magnet
ada pada semua sisi kawat yang membawa arus listrik menandakan bahwa
ada hubungan langsung antara listrik dan magnet. Ditambah lagi,
interaksi antar keduanya tampak berbeda dari gaya gravitasi dan
elektrostatis. Gaya pada jarum kompas tidak mengarah pada arah yang sama
atau kebalikan, namun arahnya tegak lurus terhadap arus.
[33] Gaya ini juga tergantung dari arah arus, jika arah alirannya dibalik, maka gayanya juga terbalik.
[43]
Ørsted belum memahami dengan benar penemuannya, namun ia meneliti
bahwa efek ini bersifat kebalikan: sebuah arus menghasilkan gaya pada
magnet dan medan magnet menghasilkan gaya pada arus. Fenomena ini
nantinya akan diteliti lebih lanjut oleh
Ampère,
yang menemukan bahwa 2 kawat paralel berarus akan menghasilkan gaya
satu sama lain: dua kawat mengonduksi arus pada arah yang sama akan
tarik-menarik, sedangkan kawat yang arusnya berlawanan arah akan tolak
menolak.
[44] The interaction is mediated by the magnetic field each current produces and forms the basis for the international
definition of the ampere.
[44]
Motor listrik menggunakan prinsip elektromagnet: arus melalui medan
magnet akan mendapat gaya pada sudut tegak lurus dari medan dan arus
Hubungan antara medan magnet dan arus sangat penting, hal ini akan mengacu pada penemuan
motor listrik oleh Michael Faraday tahun 1821.
Motor homopolar Faraday terdiri dari
magnet permanen yang terletak pada pul
raksa.
Arus dilewatkan melalui kawat yang digantung dari poros diatas magnet
dan dicelupkan ke dalam raksa. Magnet akan memberikan gaya tangensial
pada kawat, membuat kawat mengelilingi magnet selama arus mengalir.
[45]
Percobaan oleh Faraday tahun 1831 membuktikan bahwa kawat bergerak
tegak lurus terhadap medan magnet akan menghasilkan perbedaan potensial
di antara ujung-ujungnya. Penelitian lebih lanjut dari proses ini,
disebut dengan
induksi elektromagnetik, memunculkan
Hukum induksi Faraday,
yang menyatakan bahwa perbedaan potensial yang diinduksi pada rangkaian
tertutup akan berbanding lurus dengan perubahan kecepatan
fluks magnet sepanjang rangkaian. Pemanfaatan lebih lanjut dari penemuan ini membuatnya menemukan
generator listrik pertama tahun 1831, di mana ia mengubah energi mekanik dari cakram tembaga yang berputar menjadi energi listrik.
[45] Cakram Faraday
tidak efisien dan tidak digunakan sebagai generator sesungguhnya, namun
ia menunjukkan adanya kemungkinan membangkitkan energi listrik
menggunakan magnet.
Elektrokimia
Kemampuan reaksi kimia untuk menghasilkan listrik, serta kemampuan
listrik untuk menjalankan reaksi kimia telah banyak membawa manfaat.
Elektrokimia merupakan bagian penting dari listrik. Dari awal penemuan tumpukan volta,
sel elektrokimia telah berkembang menjadi berbagai macam baterai, elektroplating, dan sel elektrolisis.
Aluminium diproduksi dalam jumlah besar saat ini dan banyak peralatan ditenagai dengan sel yang dapat diisi ulang.
Rangkaian listrik
Rangkaian listrik adalah interkoneksi beberapa komponen listrik
sehingga muatan listrik dibuat berpindah melalui jalur tertutup
(rangkaian), biasanya digunakan untuk melakukan tujuan tertentu.
Komponen dalam rangkaian listrik dapat terdiri dari berbagai macam elemen seperti
resistor,
kapasitor,
sakelar,
transformator dan
elektronika.
Rangkaian listrik terdiri dari
komponen aktif, biasanya
semikonduktor, dan biasanya berjalan
non-linear, membutuhkan analisis kompleks. Komponen listrik paling sederhana adalah komponen-komponen
pasif dan
linear:
ketika mereka dapat menyimpan energi sementara, mereka tidak punya
sumbernya, dan akan memperlihatkan respon linear jika diberi stimulus.
[46]:15–16
Resistor adalah salah satu elemen rangkaian pasif: resistor akan
menghambat
arus yang melaluinya, melepaskan energinya sebagai panas. Hambatan
muncul akibat gerak muatan melalui konduktor: pada logam, misalnya,
hambatan disebabkan karena tabrakan antara elektron dan ion.
Hukum Ohm adalah hukum dasar mengenai
teori rangkaian,
menyatakan bahwa rangkaian yang melewati hambatan berbanding lurus
dengan perbedaan potensialnya. Hambatan pada sebagian besar material
relatif konstan terhadap berbagai
range suhu dan arus.
Ohm, satuan hambatan, diambil dari fisikawan
Georg Ohm,
dilambangkan dengan huruf Yunani Ω. 1 Ω adalah hambatan yang akan
menghasilkan perbedaan potensial 1 volt jika diberikan arus satu ampere.
[46]:30–35
Kapasitor
adalah pengembangan Leyden jar dan merupakan alat yang dapat menyimpan
muatan sehingga menyimpan energi listrik dalam medan resultan. Kapasitor
terdiri dari 2 pelat berkonduksi dipisahkan oleh lapisan
dielektrik terinsulasi. Dalam kenyataannya, kertas logam tipis digulung bersama, meningkatkan luas permukaan per satuan volume dan meningkatkan
kapasitansi. Satuan kapasitansi adalah
farad, diambil dari nama fisikawan
Michael Faraday, dan diberi simbol
F:
satu farad adalah kapasitansi yang memberikan perbedaan potensial 1
volt ketika menyimpan muatan sebesar 1 coulomb. Kapasitor awalnya
terhubung dengan catu daya akan menimbulkan arus listrik dan
mengumpulkan muatan; arus ini akan terputus ketika kapasitor telah
terisi penuh. Maka kapasitor tidak beroperasi dalam arus
keadaan tunak (
steady state), tetapi malah membloknya.
[46]:216–220
Induktor,
biasanya berupa gulungan kawat, menyimpan energi pada medan magnet
sebagai respon atas arus yang melewatinya. Ketika terjadi perubahan
arus, maka medan magnet akan berubah,
menginduksi tegangan antara ujung-ujung konduktor. Tegangan terinduksi berbanding lurus dengan
perubahan arus terhadap waktu. Perbandingan ini disebut dengan
induktansi. Satuan dari induktansi adalah
henry, dinamai dari fisikawan
Joseph Henry.
Satu henry adalah induktansi yang akan menginduksi perbedaan potensial
sebesar 1 volt jika arus yang melewati berubah dengan kecepatan 1 ampere
per detik. Perilaku induktor agak kebalikan dengan kapasitor:
beroperasi pada arus tetap, namun tidak bia jika arus berubah sangat
cepat.
[46]:226–229
Tenaga listrik
Tenaga listrik adalah kecepatan
energi listrik berpindah melalui
rangkaian listrik. Satuan
SI dari
tenaga adalah
watt, satu
joule per
detik.
Tenaga listrik, seperti
tenaga mekanik, adalah seberapa cepatnya melakukan
kerja, terukur dalam
watt dan dilambangkan dengan huruf
P. Tenaga listrik dihasilkan dari arus listrik
I terdiri dari muatan
Q coulomb tiap
t detik melewati perbedaan
potensial listrik (
voltase)
V adalah
where
- Q : muatan listrik dalam coulomb
- t : waktu dalam detik
- I : arus listrik dalam ampere
- V : potensial listrik atau voltase dalam volt
Pembangkit listrik biasanya menggunakan
generator listrik, namun juga bisa berasal dari sumber kimia seperti
baterai listrik atau sumber lain. Tenaga listrik biasanya disalurkan ke rumah tangga dan bisnis oleh
industri tenaga listrik. Listrik biasanya dijual dalam satuan
kilowatt jam
(3.6 MJ) yang merupakan hasil kali daya dalam kilowatt dikali lamanya
waktu dalam jam. Utilitas listrik mengukur daya menggunakan
meteran listrik, yang terus menyimpan total energi listrik yang digunakan oleh pelanggan.
Elektronika
Elektronika berhubungan dengan
rangkaian listrik yang berisi
komponen aktif seperti
tabung vakum,
transistor,
dioda dan
sirkuit terintegrasi. Sifat
nonlinear
dari komponen aktif dan kemampuannya untuk mengontrol aliran elektron
membuat penguatan signal lemah menjadi mungkin dan elektronika secara
luas digunakan pada
pemrosesan informasi,
telekomunikasi, dan
pemrosesan sinyal. Kemampuan peralatan elektronik untuk menjadi
sakelar memungkinkan pemrosesan informasi digital. Ditambah teknologi
papan rangkaian,
pengemasan elektronik, dan berbagai bentuk rangkaian infrastruktur
komunikasi, mengubah komponen yang terpisah-pisah menjadi satu sistem
kesatuan kerja.
Saat ini, sebagian besar peralatan elektronik menggunakan komponen
semikonduktor untuk mengontrol elektron. Studi mengenai peralatan semikonduktor dan teknologinya adalah cabang dari
fisika fasa padat, di mana mempelajari desain dan konstruksi
rangkaian elektronik untuk menyelesaikan permasalahan-permasalahan
teknik elektronika.
Gelombang elektromagnetik
Faraday dan Ampère menunjukkan bahwa medan magnet yang berubah terhadap waktu berperan sebagai sumber
medan listrik,
dan medan listrik yang berubah terhadap waktu juga sebagai sumber medan
magnet. Maka, ketika salah satu medan berubah terhadap waktu, maka
medan lainnya juga terinduksi.
[16]:696–700 Fenomena ini adalah sifat-sifat
gelombang dan disebut sebagai
gelombang elektromagnetik. Gelombang elektromagnetik pertama kali diteliti oleh
James Clerk Maxwell
tahun 1864. Maxwell mengembangkan beberapa persamaan yang menjelaskan
hubungan antara medan listrik, medan magnet, muatan listrik, dan arus
listrik. Ia juga dapat membuktikan bahwa gelombang dapat melintas dengan
kecepatan cahaya, maka cahaya itu sendiri adalah salah satu bentuk radiasi elektromagnetik.
Hukum Maxwell, yang menggabungkan cahaya, medan, dan muatan adalah salah satu pencapaian terpenting di bidang fisika teoretis.
[16]:696–700
Maka, dari hasil kerja para peneliti ini barang elektronik bisa mengubah signal menjadi arus berosilasi
berfrekuensi tinggi, dan melalui konduktor, listrik bisa menghantarkan dan menerima signal ini melalui gelombang radio pada jarak yang sangat jauh.
Produksi dan penggunaan
Pembangkit dan transmisi
Di abad ke-6 SM, filosofis Yunani
Thales
melakukan percobaan dengan batang amber dan percobaan ini adalah
percobaan pertama untuk menghasilkan energi listrik. Dengan metode ini,
saat ini disebut
efek triboelektrik, dapat mengangkat benda ringan dan menghasilkan percikan, namun sangat tidak efisien.
[47]
Namun tidak ada perkembangan berarti hingga abad ke-18 ketika
ditemukannya tumpukan volta. Tumpukan volta dan penerus modernnya yaitu
baterai listrik menyimpan energi kimia dan bisa menghasilkan listrik.
[47]
Baterai mudah digunakan dan merupakan sumber tenaga paling umum yang
ideal untuk banyak aplikasi, namun penyimpanan energinya terbatas, dan
ketika sudah habis maka harus dibuang atau diisi ulang. Untuk kebutuhan
energi listrik yang besar maka listrik harus dihasilkan kontinu melalui
jalur transmisi konduktif.
Tenaga listrik biasanya dihasilkan dengan
generator mekanik-listrik yang digerakkan oleh
uap dihasilkan dari pembakaran
bahan bakar fosil, atau panas yang dilepas dari reaksi nuklir, atau dari sumber lain seperti
energi kinetik dari angin atau air mengalir.
Turbin uap modern ditemukan oleh
Sir Charles Parsons tahun 1884 saat ini menghasilkan sekitar 80%
tenaga listrik
dunia dari berbagai sumber panas. Generator ini sudah berbeda sama
sekali dari generator cakram homopolar Faraday tahun 1831, namun masih
tetap menggunakan prinsip dasar elektromagnetik yang sama yaitu
konduktor yang dihubungkan ke medan magnet yang berubah akan menginduksi
perbedaan potensial di antara ujung-ujungnya.
[48] Penemuan
transformator di akhir abad ke-19 akhirnya bisa membuat tenaga listrik disalurkan lebih efisien pada tegangan tinggi namun arus rendah.
Transmisi listrik yang efisien dapat membuat listrik bisa disalurkan ke pengguna yang berjarak yang relatif jauh dari stasiun pembangkitnya.
[49][50]
Karena energi listrik tidak dapat dengan mudah disimpan dalam jumlah
besar untuk memenuhi permintaan nasional, maka listrik harus diproduksi
sebanyak mungkin yang dibutuhkan.
[49] Hal ini membutuhkan
utilitas listrik
untuk memprediksi dengan benar beban listrik dan menjaga koordinasi
dengan stasiun pembangkit. Setiap pembangkit yang dijalankan harus
memiliki
cadangan untuk melindungi jaringan listrik dari gangguan dan kehilangan yang tak terduga.
Permintaan akan listrik akan meningkat cepat seiring modernisasi
suatu negara dan berkembangnya ekonomi. Permintaan listrik di Amerika
Serikat meningkat 12% tuap tahunnya pada 3 dekade pertama abad ke-20,
[51] pertumbuhan yang saat ini juga dirasakan oleh India atau Tiongkok.
[52][53] Dari sejarahnya, tingkat permintaan listrik telah melampaui bentuk energi lainnya.
[54]:16
Keresahan lingkungan akan pembangkit listrik meningkatkan fokus pembangkitan listrik dari
energi terbaharui, seperti
angin dan
air.
[54]:89
Penggunaan
Listrik adalah energi yang paling mudah digunakan dan telah digunakan di sebagian besar alat dan akan terus berkembang.
[55] Penemuan
lampu pijar pada tahun 1870-an menjadikan
penerangan
salah satu aplikasi pertama tenaga listrik yang digunakan secara luas.
Dengan begitu listrik menggantikan penerangan dari api yang berarti jauh
mengurangi risiko kebakaran pada rumah dan pabrik.
[56] Utilitas umum dipasang di banyak kota menargetkan permintaan pasar yang berkembang untuk penerangan listrik.
Efek
pemanasan joule yang muncul pada lampu juga digunakan langsung pada
pemanas listrik.
Meski penggunaannya mudah dan bisa dikontrol, namun pemanas listrik
dianggap memboroskan energi, karena sebagian besar pembangkit listrik
sudah membutuhkan panas di stasiun pembangkit.
[57]
Beberapa negara seperti Denmark, telah mengeluarkan aturan yang
membatasi atau melarang penggunaan pemanas listrik di bangunan baru.
[58] Listrik juga merupakan sumber energi utama untuk
refrigerasi,
[59] dengan
pendingin udara menggambarkan permintaan listrik yang meningkat.
[60]
Listrik digunakan dalam
telekomunikasi, muncul pada
telegraf listrik tahun 1837 oleh
Cooke dan
Wheatstone. Pembangunan sistem telegraf
interkontinental dan
transatlantik, pada tahun 1860-an, listrik membuat komunikasi di seluruh dunia terhubung dalam hitungan menit.
Fiber optik dan
satelit komunikasi turut berperan dalam sistem telekomunikasi, namun listrik tetap menjadi bagian utamanya.
Efek elektromagnet paling bisa dilihat pada
motor listrik yang dapat menyediakan tenaga gerak yang bersih dan efisien. Motor diam seperti
winch dapat ditenagai dengan mudah, namun motor yang berpindah dalam penggunaannya, seperti
kendaraan listrik, harus membawa sumber tenaga seperti baterai atau mendapatkan arus dari kontak geser seperti
pantograf.
Peralatan elektronik menggunakan
transistor, salah satu penemuan terpenting di abad ke-20,
[61] menjadi dasar dari semua rangkaian listrik modern. Sebuah
rangkaian terintegrasi modern dapat berisi milyaran transistor mini dengan luas hanya beberapa sentimeter persegi.
[62]
Listrik juga digunakan untuk menggerakan transportasi umum, seperti kereta dan bus listrik.
[63]
Berkawan dengan listrik
Aliran listrik mengalir dari saluran positif ke saluran negatif. Dengan
listrik arus searah
jika kita memegang hanya kabel positif (tapi tidak memegang kabel
negatif), listrik tidak akan mengalir ke tubuh kita (kita tidak terkena
strum). Demikian pula jika kita hanya memegang saluran negatif.
Dengan
listrik arus bolak-balik,
Listrik bisa juga mengalir ke bumi (atau lantai rumah). Hal ini
disebabkan oleh sistem perlistrikan yang menggunakan bumi sebagai acuan
tegangan netral (ground). Acuan ini, yang biasanya di pasang di dua
tempat (satu di ground di tiang listrik dan satu lagi di ground di
rumah). Karena itu jika kita memegang sumber listrik dan kaki kita
menginjak bumi atau tangan kita menyentuh dinding, perbedaan tegangan
antara kabel listrik di tangan dengan tegangan di kaki (ground), membuat
listrik mengalir dari tangan ke kaki sehingga kita akan mengalami
kejutan listrik ("terkena strum").
Daya listrik dapat disimpan, misalnya pada sebuah aki atau batere.
Listrik yang kecil, misalnya yang tersimpan dalam batere, tidak akan
memberi efek setrum pada tubuh. Pada aki mobil yang besar, biasanya ada
sedikit efek setrum, meskipun tidak terlalu besar dan berbahaya. Listrik
mengalir dari kutub positif batere/aki ke kutub negatif.
Sistem listrik yang masuk ke rumah kita, jika menggunakan sistem listrik 1 fase, biasanya terdiri atas 3 kabel:
Pertama adalah
kabel fase
(berwarna merah/hitam/kuning) yang merupakan sumber listrik bolak-balik
(fase positif dan fase negatif berbolak-balik terus menerus). Kabel ini
adalah kabel yang membawa tegangan dari pembangkit tenaga listrik (
PLN
misalnya); kabel ini biasanya dinamakan kabel panas (hot), dapat
dibandingkan seperti kutub positif pada sistem listrik arus searah
(walaupun secara fisika adalah tidak tepat).
Kedua adalah
kabel netral
(berwarna biru). Kabel ini pada dasarnya adalah kabel acuan tegangan
nol, yang disambungkan ke tanah di pembangkit tenaga listrik, pada
titik-titik tertentu (pada tiang listrik) jaringan listrik dipasang
kabel netral ini untuk disambungkan ke ground terutama pada trafo
penurun tegangan dari saluran tegangan tinggi tiga jalur menjadi tiga
jalur fase ditambah jalur ground (empat jalur) yang akan disalurkan
kerumah-rumah atau kelainnya.
Untuk mengatasi kebocoran (induksi) listrik dari peralatan tiap rumah
dipasang kabel tanah atau ground (berwarna hijau-kuning) dihubungkan
dengan logam (elektroda) yang ditancapkan ke tanah untuk disatukan
dengan saluran kabel netral dari jala listrik dipasang pada jarak
terdekat dengan alat meteran listrik atau dekat dengan sikring.
Dalam kejadian-kejadian
badai listrik luar angkasa
(space electrical storm) yang besar, ada kemungkinan arus akan mengalir
dari acuan tanah yang satu ke acuan tanah lain yang jauh letaknya.
Fenomena alami ini bisa memicu kejadian
mati lampu berskala besar.
Ketiga adalah
kabel tanah
atau Ground (berwarna hijau-kuning). Kabel ini adalah acuan nol di
lokasi pemakai, yang disambungkan ke tanah (ground) di rumah pemakai,
kabel ini benar-benar berasal dari logam yang ditanam di tanah di rumah
kita, kabel ini merupakan kabel pengamanan yang disambungkan ke badan
(chassis) alat2 listrik di rumah untuk memastikan bahwa pemakai alat
tersebut tidak akan mengalami kejutan listrik.
Kabel ketiga ini jarang dipasang di rumah-rumah penduduk,
pastikan teknisi (instalatir) listrik anda memasang kabel tanah (ground)
pada sistem listrik di rumah. Pemasang ini penting, karena merupakan
syarat mutlak bagi keselamatan anda dari bahaya kejutan listrik yang
bisa berakibat fatal dan juga beberapa alat-alat listrik yang sensitif
tidak akan bekerja dengan baik jika ada induksi listrik yang muncul di
chassisnya (misalnya karena efek
arus Eddy).
Satuan-satuan SI listrik
| Elektromagnetisme |
 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| edit Unit-unit elektromagnetisme SI |
| Simbol |
Nama kuantitas |
Unit turunan |
|
Unit dasar |
| I |
Arus |
ampere |
A |
A |
| Q |
Muatan listrik, Jumlah listrik |
coulomb |
C |
A·s |
| V |
Perbedaan potensial |
volt |
V |
J/C = kg·m2·s−3·A−1 |
| R, Z |
Tahanan, Impedansi, Reaktansi |
ohm |
Ω |
V/A = kg·m2·s−3·A−2 |
| ρ |
Ketahanan |
ohm meter |
Ω·m |
kg·m3·s−3·A−2 |
| P |
Daya, Listrik |
watt |
W |
V·A = kg·m2·s−3 |
| C |
Kapasitansi |
farad |
F |
C/V = kg−1·m−2·A2·s4 |
|
Elastisitas |
reciprocal farad |
F−1 |
V/C = kg·m2·A−2·s−4 |
| ε |
Permitivitas |
farad per meter |
F/m |
kg−1·m−3·A2·s4 |
| χe |
Susceptibilitas listrik |
(tak berdimensi) |
- |
- |
|
Konduktansi, Admitansi, Susceptansi |
siemens |
S |
Ω−1 = kg−1·m−2·s3·A2 |
| σ |
Konduktivitas |
siemens per meter |
S/m |
kg−1·m−3·s3·A2 |
| H |
Medan magnet, Kekuatan medan magnet |
ampere per meter |
A/m |
A·m−1 |
| Φm |
Flux magnet |
weber |
Wb |
V·s = kg·m2·s−2·A−1 |
| B |
Kepadatan medan magnet, Induksi magnet, Kekuatan medan magnet |
tesla |
T |
Wb/m2 = kg·s−2·A−1 |
|
Reluktansi |
ampere-turns per weber |
A/Wb |
kg−1·m−2·s2·A2 |
| L |
Induktansi |
henry |
H |
Wb/A = V·s/A = kg·m2·s−2·A−2 |
| μ |
Permeabilitas |
henry per meter |
H/m |
kg·m·s−2·A−2 |
|
Artikel utama untuk bagian ini adalah: 
